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Das Urprinzip der Schöpfung
Symmetrie: Das Urprinzip der Schöpfung „Reise zum Urknall“, Urania, Berlin Bernhard Spaan, TU Dresden Symmetrie: Griechisch: Summetria (Summetria) = Ebenmaß
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Was ist Symmetrie? = Definition der Symmetrie:
„Nach (bestimmten) Änderungen an einem System sieht dieses exakt so aus wie zuvor“ Beispiele: Reflexionen (Spiegelsymmetrie) Taj Mahal: symmetrisch gegenüber Spiegelungen Rotationen (Drehungen) Schneeflocke: symmetrisch gegenüber Drehungen um 600 = 300 300
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Zur Geschichte Plato (427-347 v. Chr.)
Weltall: 4 Grundelemente (Feuer, Erde, Luft und Wasser) Grundelemente geometrische Formen Arbeiten zur Kristallsymmetrie und -struktur z.B. 1611: Kepler (Schneeflocke), 1849: Bravais (Raumgitter), : v. Laue (Nachweis der Gitterstruktur) Feuer Erde Luft Wasser
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Symmetrien in der (Teilchen)physik
Klassifizierung: Periodensystem der Elemente, Elementarteilchen Erhaltungssätze Emmi Noether (1917) Symmetrie Erhaltungssatz Energie, Impuls, Drehimpuls, Ladung etc... Eichsymmetrien Diskrete Symmetrien Permutationssymmetrie Symmetriebrechung Wie bekommen Teilchen Masse? ....
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Einführung in die Teilchenphysik
Größe in Atomen in Metern 10-10 Atomphysik n p 10-14 Kernphysik p 10-15 Teilchenphysik q e- 10-18 (Elementar)Teilchen Wechselwirkungen
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Elementare Bausteine der Materie
Teilchen Antiteilchen e e— — — e e+ + + Ladung Leptonen: + 2 3 2 2 2 2 2 - - - u c t d s b + + 3 u c t d s b 3 3 3 3 Quarks: 1 1 1 1 – 1 + 1 – – + 3 + 3 3 3 3 3 Symmetrie: Ordnung in jeweils 3 Familien (vergl. Periodensystem) Zu jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen gleicher Masse entgegengesetzter Ladung mit:
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Weitere Eigenschaften der Teilchen
Flugrichtung Elektronen: „Drehsinn“ (Spin) „linksdrehend“, „linkshändig“ „rechtsdrehend“, „rechtshändig“ „Rotierender Zeiger“ (Phase)
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Wechselwirkungen Wechselwirkungen
Kraftwirkung zwischen Teilchen Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und Vernichtungen Es gibt 4 fundamentale Wechselwirkungen Gravitation (Schwerkraft) Elektromagnetismus Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Ursprung aller bekannten Kräfte! S N Elektroschwache Wechselwirkung p n q q
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? Wechselwirkungen Starke Wechselwirkung????? Wofür? n p
Was hält den Atomkern zusammen? Neutronen: keine Ladung Protonen: positive Ladung – stoßen sich ab p n ? Es gibt eine weitere Kraft: überwindet die elektrische Abstoßung wirkt nicht auf Elektronen starke Wechselwirkung
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Lokale Eichsymmetrie Wechselwirkung
(hier: Gravitation wird nicht betrachtet)
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Globale Eichsymmetrie
Betrachten: 1,5 Volt Batterie Batterie Spannung = Potenzialdifferenz zwischen den Polen : 1,5 V
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Globale Eichsymmetrie
Betrachten: 1,5 Volt Batterie +1,5 V Batterie 0 V Spannung = Potenzialdifferenz zwischen den Polen : 1,5 V
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Globale Eichsymmetrie
Umeichen des Potenzialnullpunktes – gleichartig für + und – Pol ! 0 V Batterie –1,5 V Spannung = Potenzialdifferenz zwischen den Polen : 1,5 V Nichts ist passiert!
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Globale Eichsymmetrie
Umeichen des Potenzialnullpunktes – gleichartig für + und – Pol ! +1000 V Batterie +998,5 V Spannung = Potenzialdifferenz zwischen den Polen : 1,5 V Nichts ist passiert!
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Globale Eichsymmetrie
Eichtransformation: Die Zeiger werden überall um gleichen Winkel gedreht (Nullpunktsverschiebung) Nichts passiert: Das System ist unabhängig von der Lage des gemeinsamen Nullpunktes Symmetrie Elektronen: Zeiger ist verknüpft mit Ladung: Globale Eichsymmetrie Ladungserhaltung
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Globale Eichsymmetrie
0 V 0 V Bilder:
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Globale Eichsymmetrie
10000 V 10000 V Nichts passiert! Umeichung erfolgte überall gleich
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Lokale Eichsymmetrie Etwas passiert!
Umeichung erfolgte überall anders! Etwas passiert! 0 V 10000 V Spannung elektrisches Feld Kraft! Bilder:
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Symmetrie Feder überflüssig Betrachten 2 Elektronen:
Verbunden mit „gedachter“ Feder“ Zeiger rotieren senkrecht zur „Achse“ Symmetrie Umeichungen: Gleichartige Veränderungen aller Zeiger: Keine Kraft auf Feder Feder überflüssig
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Symmetrie verletzt Lokale Umeichung:
Benötigen Feder zur Wiederherstellung der Symmetrie: Umeichung Verdrillung der Feder: Es wirkt eine Kraft (anziehend oder abstoßend) Wiederherstellung der Symmetrie
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Quantenelektrodynamik (QED)
Je nach Richtung der Verdrillung sind die Kräfte anziehend oder abstoßend! Der Zeiger muss mit der Ladung verknüpft sein! Quantenelektrodynamik (QED) Theorie der elektromagnetischen Wechselwirkung Die Rolle der Feder wird durch Austauschteilchen eingenommen! Photon (Lichtquant) Beispiel Elektron-Elektron-Streuung e- e-
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Wechselwirkungen Ursache aller Wechselwirkungen ist
lokale Eichsymmetrie Für jede der Wechselwirkungen ist eine entsprechende Symmetrie gefunden worden (QED: Zeiger) Zu jeder Symmetrie (Wechselwirkung) existieren Austauschteilchen: Elektroschwache Wechselwirkung: Photon (QED) (masselos) Z0, W+, W (sehr schwer, ca. 90•mp) Starke Wechselwirkung: 8 verschiedene Gluonen (masselos)
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Ausblick Frage: Gibt es eine gemeinsame Symmetrie für alle Wechselwirkungen? Vereinheitlichung der Wechselwirkungen? Ein erster Erfolg war die Vereinheitlichung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung zur elektroschwachen Wechselwirkung. „Große“ Vereinheitlichung bei sehr hohen Energien? Frühzeit des Universums
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Symmetrie Materie - Antimaterie
Zu jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen Teilchen und Antiteilchen haben gleiche Massen! Alle bekannten Wechselwirkungen liefern: Paarweise Erzeugung von Materie und Antimaterie
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Materie - Antimaterie Bei perfekter Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie wären beide in gleichen Mengen vorhanden! Aber: Universum ist von Materie dominiert! Woher wissen wir das? Materie und Antimaterie vernichten einander! große Energiemenge wird frei: E=m·c2 ca. Faktor im Vergleich zur Atombombe! Keine Antimaterie auf der Erde Wenige kg 235U (Uran)
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Materie - Antimaterie Antimaterie im Sonnensystem?
Besuch von Mond, Mars etc.. Keine Antimaterie im Sonnensystem Antimaterie in unserer Milchstraße? Analyse von Meteoriten Kosmische Strahlung aus Milchstraße: Materie überwiegt Materie überwiegt! Was ist mit dem Rest des Universums? "Courtesy of SOHO/LASCO consortium“ Sonnenwind: Materie
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Materie - Antimaterie Positron-Elektron Vernichtung
Photon = „Lichtblitz“ mit hoher Energie e— Photonen haben charakteristische Energie: E = ½me·c2 (511 keV, Röntgenstrahlung: E 1 keV) e+ Photon Photonen werden in Atmosphäre absorbiert! Nachweis: Detektoren in Erdumlaufbahn Keine Anzeichen für größere Mengen an Antimaterie im Weltall ! (Hinweise auf Produktion von Antimaterie in unserer Galaxie)
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Materie - Antimaterie Gibt es vielleicht Galaxien aus Antimaterie?
Beobachtung von Kollisionen von Galaxien! Keine Hinweise auf Antimaterie
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Bedingungen für Materie-Überschuss
Andrei Sacharow (1967): formulierte 3 notwendige Bedingungen Verletzung der Baryonenzahl Verletzung der C und CP-Symmetrie Abkehr vom thermodynamischen Gleichgewicht CP-Symmetrie: Bildet die Welt der Teilchen auf die Welt der Antiteilchen ab
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Diskrete Symmetrien C: Ladungskonjugation Teilchen Antiteilchen
P: Parität rechts links T: Zeitumkehr vorwärts rückwärts „Spiegel“ Hier: Unterscheidung von links- und rechts Materie - Antimaterie
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Links – Rechts im täglichen Leben
Brauchen Physik(er), um den Unterschied zu erklären: Ohne Verletzung der Spiegelsymmetrie gibt es keine Unterscheidung von Rechts – Links
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Spiegelsymmetrie Taj Mahal: Natur und Spiegelbild identisch!
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Spiegelsymmetrie-Verletzung
Menschen: Natur und Spiegelbild nahezu identisch! Spiegelsymmetrie leicht verletzt!
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Spiegelsymmetrie-Verletzung
In Transsylvanien Im Spiegel
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Spiegelsymmetrie-Verletzung
Natur: DNS: Rechtsschraube Im Spiegel: DNS: Linksschraube Kommt in der Natur nicht vor!
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Teilchenphysik im Spiegel
Elektromagnetische & starke Wechselwirkung: Die gespiegelten Reaktionen sind in der Natur gleich häufig! Spiegelsymmetrie = Paritätserhaltung Schwache Wechselwirkung: Verletzung der Spiegelsymmetrie koppelt an linkshändige Teilchen und rechtshändige Antiteilchen
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Neutrinos im Spiegel linkshändig rechtshändig
Natur: linkshändige Neutrinos rechtshändige Antineutrinos Paritätsverletzung (gibt es nur in der schwachen Wechselwirkung)
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Raumschiffe auf Kollisionskurs
Abbiegen im Neutrino-Drehsinn! Ausweichmanöver: Links- und Rechts müssen einander bekannt sein! Alien Materie Oder Antimaterie???
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Teilchenphysik im C-Spiegel
Ladungskonjugationsspiegel e- e+ e- e+ Elektromagnetische & starke Wechselwirkung: Reaktionen sind in der Welt der Antiteilchen gleich häufig! C-Symmetrie ist erhalten Schwache Wechselwirkung: Verletzung der C-Symmetrie koppelt an linkshändige Teilchen und rechtshändige Antiteilchen
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Neutrinos im C-Spiegel
Linkshändiges Neutrino Linkshändiges Antineutrino Natur: linkshändige Neutrinos rechtshändige Antineutrinos C-Symmetrie ist verletzt (gibt es nur in der schwachen Wechselwirkung)
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Raumschiffe auf Kollisionskurs
Ooops Was sagen Eure Experimente zur CP-Verletzung? Ausweichmanöver: Links- und Rechts müssen einander bekannt sein! Alien Materie Oder Antimaterie???
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Neutrinos im CP-Spiegel
Ladungskonjugation und normaler Spiegel Linkshändiges Neutrino Rechtshändiges Antineutrino CP-Symmetrie erhalten?
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Teilchenphysik im CP-Spiegel
Elektromagnetische & starke Wechselwirkung: Reaktionen sind in der gespiegelten Welt der Antiteilchen gleich häufig! CP-Symmetrie ist erhalten Schwache Wechselwirkung: CP-Symmetrie ist fast erhalten In bestimmten, sehr seltenen Fällen tritt eine Reaktion mit unterschiedlicher Häufigkeit in beiden Welten auf! Die Raumschiffe können sich über ein Ausweichmanöver verständigen Teilchenphysik: Sucht nach dem Ursprung der CP-Verletzung
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Experimente zur CP-Verletzung
Fermilab CDF, D0, KTeV CERN NA48 DESY HERA-B KEK BELLE SLAC BABAR
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Das BABAR-Experiment am SLAC
CsJ-Kalorimeter Driftkammer Supraleitende Spule DIRC Instrumentiertes Eisenjoch (IFR) Vertex-Detektor
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Das Urprinzip der Schöpfung
Zusammenfassung Symmetrie: Das Urprinzip der Schöpfung Beschreibung von Wechselwirkungen (Kräften) Klassifizierung Symmetrieverletzung (CP,.....) Symmetriebrechung (Massen der Teilchen)
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